Stjärnornas kalla bländning är särskilt vacker på vinterhimlen. Vid den här tiden blir de ljusaste stjärnorna och konstellationerna synliga: Orion, Pleiader, Greater Dog med bländande Sirius …
För ett kvartssekel sedan ställde sju befälhavare från Naval Academy en ovanlig fråga: hur nära är den moderna mänskligheten till stjärnorna? Forskningen resulterade i en detaljerad rapport som kallas Project Longshot (Long Range Shot). Ett koncept av ett automatiskt interstellärt fartyg som kan nå de närmaste stjärnorna på en rimlig tid. Inga årtusenden av flygning och "generationernas fartyg"! Sonden bör nå närheten till Alpha Centauri inom 100 år från det att den lanserades i rymden.
Hyperspace, gravitation, antimateria och fotoniska raketer … Nej! Huvuddragen i projektet är dess beroende av befintlig teknik. Enligt utvecklarna gör Longshot -designen det möjligt att bygga ett rymdskepp redan under första hälften av 2000 -talet!
Hundra års flygning med befintlig teknik. En ovanlig djärvhet, med tanke på omfattningen av kosmiska avstånd. Mellan solen och Alpha Centauri ligger en "svart avgrund" 4, 36 sv bred. årets. Över 40 biljoner kilometer! Den monströsa innebörden av denna figur blir tydlig i följande exempel.
Om vi reducerar solens storlek till en tennisboll, kommer hela solsystemet att passa på Röda torget. Jordens storlek i den valda skalan kommer att minska till storleken på ett sandkorn, medan närmaste "tennisboll" - Alpha Centauri - kommer att ligga på Markusplatsen i Venedig.
Ett flyg till Alpha Centauri med en konventionell Shuttle eller Soyuz rymdfarkost skulle ta 190 000 år.
En hemsk diagnos låter som en mening. Är vi dömda att sitta på vårt "sandkorn" utan att ha minsta chans att nå stjärnorna? I populärvetenskapliga tidningar finns det beräkningar som visar att det är omöjligt att accelerera ett rymdskepp till hastigheter nära ljus. Detta kommer att kräva "bränna" all materia i solsystemet.
Och ändå finns det en chans! Project Longshot har bevisat att stjärnorna är mycket närmare än vi kan föreställa oss.
På Voyager -skrovet finns en tallrik med en pulsarkarta som visar platsen för solen i galaxen, samt detaljerad information om jordens invånare. Det förväntas att utomjordingarna någon gång kommer att hitta denna "stenyxa" och komma och hälsa på oss. Men om vi påminner om särdragen i beteendet hos alla tekniska civilisationer på jorden och historien om erövringarna av amerikanerna av erövrarna, kan man inte räkna med "fredlig kontakt" …
Expeditionens uppdrag
Kom till Alpha Centauri -systemet om hundra år.
Till skillnad från andra "rymdskepp" ("Daedalus"), involverade projektet "Longshot" att gå in i stjärnsystemets bana (Alpha och Beta Centauri). Detta komplicerade uppgiften avsevärt och förlängde flygtiden, men skulle möjliggöra en detaljerad studie av närheten till avlägsna stjärnor (till skillnad från Daedalus, som skulle ha rusat förbi målet på en dag och försvunnit spårlöst i rymdets djup).
Flyget kommer att ta 100 år. Ytterligare 4, 36 år kommer att krävas för att överföra information till jorden.
Alpha Centauri jämfört med solsystemet
Astronomer sätter stora förhoppningar på projektet - om de lyckas kommer de att ha ett fantastiskt instrument för att mäta parallaxer (avstånd till andra stjärnor) med en bas på 4, 36 sv. årets.
Ett hundraårigt flyg genom natten kommer inte heller att passera mållöst: enheten kommer att studera det interstellära mediet och utöka vår kunskap om solsystemets yttre gränser.
Skott mot stjärnorna
Det största och enda problemet med rymdresor är de kolossala avstånden. Efter att ha löst det här problemet kommer vi att lösa resten. Att minska flygtiden kommer att ta bort frågan om en långsiktig energikälla och hög tillförlitlighet för fartygets system. Problemet med närvaron av en person ombord kommer att lösas. Den korta flygresan gör komplexa livsstödssystem och gigantiska leveranser av mat / vatten / luft ombord onödiga.
Men det här är avlägsna drömmar. I detta fall är det nödvändigt att leverera en obemannad sond till stjärnorna inom ett sekel. Vi vet inte hur vi ska bryta kontakten mellan rum och tid, därför finns det bara en väg ut: att öka markhastigheten för "rymdskeppet".
Som beräkningen visade kräver ett flyg till Alpha Centauri om 100 år en hastighet på minst 4,5% av ljusets hastighet. 13500 km / s.
Det finns inga grundläggande förbud som tillåter kroppar i makrokosmos att röra sig med den angivna hastigheten, men dess värde är otroligt stort. För jämförelse: hastigheten för den snabbaste av rymdfarkosten (sonden "New Horizons") efter att ha stängt av den övre etappen var "bara" 16,26 km / s (58636 km / h) i förhållande till jorden.
Longshot koncept rymdskepp
Hur kan man accelerera ett interstellärt fartyg till hastigheter på tusentals km / s? Svaret är uppenbart: du behöver en motor med hög dragkraft med en specifik impuls på minst 1 000 000 sekunder.
Specifik impuls är en indikator på en jetmotors effektivitet. Beror på molekylvikten, temperaturen och trycket för gasen i förbränningskammaren. Ju större tryckskillnad i förbränningskammaren och i den yttre miljön, desto högre är hastigheten på utflödet av arbetsvätskan. Och därför är motorns effektivitet högre.
De bästa exemplen på moderna elektriska jetmotorer (ERE) har en specifik impuls på 10 000 s; vid en utflödeshastighet av strålar av laddade partiklar - upp till 100 000 km / s. Förbrukningen av arbetsvätskan (xenon / krypton) är några milligram per sekund. Motorn nynar tyst under hela flygningen, vilket långsamt accelererar båten.
EJEs fängslar med sin relativa enkelhet, låga kostnad och potentialen att uppnå höga hastigheter (tiotals km / s), men på grund av det låga dragkraftsvärdet (mindre än en Newton) kan acceleration ta tiotals år.
En annan sak är kemiska raketmotorer, på vilka all modern kosmonautik vilar. De har en enorm dragkraft (tiotals och hundratals ton), men den maximala specifika impulsen för en trekomponent vätskedrivande raketmotor (litium / väte / fluor) är bara 542 s, med en gasutflödeshastighet på drygt 5 km / s. Detta är gränsen.
Raketer med flytande drivmedel gör det möjligt att öka rymdfarkostens hastighet med flera km / s på kort tid, men de kan inte mer. Rymdskeppet kommer att behöva en motor baserad på olika fysiska principer.
Skaparna av "Longshot" har övervägt flera exotiska sätt, inkl. "Lätt segel", accelererad av en laser med en effekt på 3, 5 terawatts (metoden erkändes som omöjlig).
Hittills är det enda realistiska sättet att nå stjärnorna en pulserad kärnkraftsmotor (termonukleär). Funktionsprincipen är baserad på laser -termonukleär fusion (LTS), väl studerad under laboratorieförhållanden. Koncentration av en stor mängd energi i små volymer materia på kort tid (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) med tröghetsplasmavskiljning.
I fallet med Longshot är det ingen fråga om någon stabil reaktion av kontrollerad termonukleär fusion: långsiktig plasmaknappning krävs inte. För att skapa jetkraft måste den resulterande högtemperaturproppen omedelbart "skjutas" av magnetfältet överbord på fartyget.
Bränslet är en helium-3 / deuteriumblandning. Bränsleförsörjningen som krävs för en interstellär flygning kommer att vara 264 ton.
På liknande sätt är det planerat att uppnå oöverträffad effektivitet: i beräkningarna är värdet på den specifika impulsen 1,02 miljoner.sekunder!
Som den huvudsakliga energikällan för att driva fartygets system - pulserade motorlasrar, inställningskontrollsystem, kommunikation och vetenskapliga instrument - valdes en konventionell reaktor baserad på uranbränslepatroner. Elektrisk effekt i anläggningen måste vara minst 300 kW (värmeeffekten är nästan en storleksordning högre).
Ur modern teknik är det inte enkelt att skapa en reaktor som inte kräver laddning under ett helt sekel, men i praktiken möjligt. Redan nu, på krigsfartyg, används kärnkraftssystem, vars kärna har en livslängd som motsvarar fartygens livslängd (30-50 år). Strömmen är också i full ordning - till exempel har kärnkraftsinstallationen OK -650 installerad på den ryska marinens atomubåtar en värmekapacitet på 190 megawatt och kan ge el till en hel stad med en befolkning på 50 000 människor!
Sådana installationer är alltför kraftfulla för rymden. Detta kräver kompakthet och exakt överensstämmelse med de angivna egenskaperna. Till exempel lanserades Kosmos -1867 den 10 juli 1987 - en sovjetisk satellit med kärnkraftsanläggningen Yenisei (satellitmassa - 1,5 ton, reaktorvärme - 150 kW, elektrisk kraft - 6, 6 kW, livslängd - 11 månader).
Detta innebär att 300 kW reaktorn som används i Longshot -projektet är en fråga om en nära framtid. Ingenjörerna själva beräknade att massan av en sådan reaktor skulle vara cirka 6 ton.
Egentligen är det här fysiken slutar och texterna börjar.
Problem med interstellära resor
För att styra sonden krävs ett inbyggt datorkomplex med konstgjord intelligens. Under förhållanden där signalöverföringstiden är mer än 4 år är en effektiv kontroll av sonden från marken omöjlig.
Inom området mikroelektronik och skapandet av forskningsanordningar har stora förändringar skett nyligen. Det är osannolikt att skaparna av Longshot 1987 hade någon aning om de moderna datornas möjligheter. Det kan anses att detta tekniska problem har lösts framgångsrikt under det senaste kvartsseklet.
Situationen med kommunikationssystem ser lika optimistisk ut. För tillförlitlig överföring av information från ett avstånd av 4, 36 sv. år kommer ett system med lasrar att fungera i vågdalens dal på 0,532 mikron och med en strålningseffekt på 250 kW. I detta fall, för varje kvadrat. meter av jordens yta kommer att falla 222 fotoner per sekund, vilket är mycket högre än känslighetströskeln för moderna radioteleskop. Informationsöverföringshastigheten från det maximala avståndet är 1 kbps. Moderna radioteleskop och rymdkommunikationssystem kan expandera datautbyteskanalen flera gånger.
För jämförelse: Sändareffekten för Voyager 1 -sonden, som för närvarande ligger på 19 miljarder km från solen (17,5 ljus timmar), är bara 23 W - som en glödlampa i ditt kylskåp. Detta är dock tillräckligt för telemetriöverföring till jorden med en hastighet av flera kbit / s.
En separat linje är frågan om fartygets termoregulering.
En kärnreaktor av en megawattklass och en pulserad termonukleär motor är källor till en kolossal mängd värmeenergi, dessutom finns det i ett vakuum bara två sätt att avlägsna värme - ablation och strålning.
Lösningen kan vara att installera ett avancerat system av radiatorer och strålande ytor, samt en värmeisolerande keramisk buffert mellan motorrummet och fartygets bränsletankar.
I resans inledande skede kommer fartyget att behöva en extra skyddande skydd mot solstrålning (liknande den som används på Skylab -banstationen). I området för det slutliga målet - i omlopp för Beta Centauri -stjärnan - kommer det också att finnas risk för att sonden överhettas. Värmeisolering av utrustning och ett system för överföring av överskottsvärme från alla viktiga block och vetenskapliga instrument till strålande radiatorer krävs.
En graf över fartygets acceleration över tid
Diagram som visar hastighetsförändringen
Frågan om att skydda rymdfarkosten från mikrometeoriter och kosmiska dammpartiklar är extremt svår. Vid en hastighet av 4,5% av ljushastigheten kan varje kollision med ett mikroskopiskt föremål allvarligt skada sonden. Skaparna av "Longshot" föreslår att lösa problemet genom att installera en kraftfull skyddande sköld framför fartyget (metall? Keramik?), Som samtidigt var en radiator av överskottsvärme.
Hur tillförlitligt är detta skydd? Och är det möjligt att använda sci-fi-skyddssystem i form av kraft / magnetfält eller "moln" av mikrodispergerade partiklar som hålls av ett magnetfält framför fartyget? Låt oss hoppas att ingenjörerna hittar en lämplig lösning när rymdskeppet skapas.
När det gäller själva sonden kommer den traditionellt att ha ett flerstegsarrangemang med avtagbara tankar. Tillverkningsmaterial för skrovkonstruktioner - aluminium / titanlegeringar. Den sammanlagda massan av de monterade rymdfarkosterna i jordbana kommer att vara 396 ton, med en maximal längd på 65 meter.
För jämförelse: Den internationella rymdstationens massa är 417 ton med en längd av 109 meter.
1) Starta konfiguration i jordbana.
2) 33: e flygåret, separering av det första paret av stridsvagnar.
3) 67: e flygåret, separering av det andra paret av stridsvagnar.
4) 100: e flygåret - ankomst till målet med en hastighet av 15-30 km / s.
Separation av den sista etappen, in i en permanent bana runt Beta Centauri.
Precis som ISS kan Longshot monteras med blockmetoden i låg jordbana. Rymdfarkostens realistiska dimensioner gör det möjligt att använda befintliga skjutbilar i monteringsprocessen (för jämförelse kan den mäktiga Saturn-V bära en last på 120 ton till LEO i taget!)
Det bör beaktas att det är för riskabelt och slarvigt att starta en pulserande termonukleär motor i en jordbana. Longshot-projektet möjliggjorde närvaro av ytterligare boosterblock (kemiska vätskedrivande raketmotorer) för att få den andra och tredje kosmiska hastigheten och dra ut rymdfarkosten från ekliptikplanet (Alpha Centauri-systemet ligger 61 ° ovanför planet för jordens rotation runt solen). Det är också möjligt att för detta ändamål är en manöver i Jupiters gravitation fält motiverad - som rymdprober som lyckades fly från ekliptikens plan med hjälp av "fri" acceleration i närheten av jätteplaneten.
Epilog
All teknik och komponenter i ett hypotetiskt interstellärt fartyg existerar i verkligheten.
Longshot -sondens vikt och dimensioner motsvarar den moderna kosmonautiken.
Om vi börjar arbeta idag är det mycket troligt att i mitten av XXII-talet kommer våra glada barnbarnsbarn att se de första bilderna av Alpha Centauri-systemet på nära håll.
Framsteg har en irreversibel riktning: varje dag fortsätter livet att förvåna oss med nya uppfinningar och upptäckter. Det är möjligt att om 10-20 år kommer all teknik som beskrivs ovan att visas framför oss i form av arbetsprover gjorda på en ny teknisk nivå.
Och ändå är vägen till stjärnorna för långt för att det ska vara vettigt att prata om det på allvar.
Den uppmärksamma läsaren har förmodligen redan uppmärksammat det centrala problemet med Longshot -projektet. Helium-3.
Var kan man få hundra ton av detta ämne, om den årliga produktionen av helium-3 bara är 60 000 liter (8 kilo) per år till ett pris på upp till 2000 dollar per liter?! Modiga science fiction-författare sätter sina förhoppningar på produktionen av helium-3 på månen och i atmosfären på jätteplaneter, men ingen kan ge några garantier i denna fråga.
Det finns tvivel om möjligheten att lagra en sådan bränslevolym och dess doserade tillförsel i form av frysta "tabletter" som krävs för att driva en pulserad termonukleär motor. Men precis som själva motorprincipen: det som mer eller mindre fungerar under laboratorieförhållanden på jorden är fortfarande långt ifrån att användas i yttre rymden.
Slutligen den oöverträffade tillförlitligheten hos alla sondsystem. Deltagarna i Longshot -projektet skriver direkt om detta: skapandet av en motor som kan fungera i 100 år utan att stanna och stora reparationer kommer att bli ett otroligt tekniskt genombrott. Detsamma gäller alla andra sondsystem och mekanismer.
Du bör dock inte förtvivla. I astronautikens historia finns det exempel på rymdskepps pålitlighet utan motstycke. Pionjärerna 6, 7, 8, 10, 11 samt Voyagers 1 och 2 - alla har arbetat i rymden i över 30 år!
Berättelsen med hydrazinpropellrar (attitydkontrollmotorer) om dessa rymdfarkoster är vägledande. Voyager 1 bytte till ett reservkit 2004. Vid den här tiden hade huvuduppsättningen av motorer arbetat i öppet utrymme i 27 år och hade klarat 353 000 starter. Det är anmärkningsvärt att motorkatalysatorerna hela tiden har värmts upp till 300 ° C hela tiden!
Idag, 37 år efter lanseringen, fortsätter båda Voyagers sin vansinniga flygning. De har för länge sedan lämnat heliosfären, men fortsätter regelbundet att överföra data om det interstellära mediet till jorden.
Alla system som är beroende av mänsklig tillförlitlighet är opålitliga. Men vi måste erkänna: för att säkerställa rymdfarkostens tillförlitlighet har vi lyckats uppnå vissa framgångar.
All nödvändig teknik för genomförandet av "stjärnexpeditionen" har upphört att vara fantasier hos forskare som missbrukar cannabinoider och har förkroppsligats i form av tydliga patent och arbetsprover av teknik. I laboratoriet - men de finns!
Den konceptuella utformningen av det interstellära rymdfarkosten Longshot bevisade att vi har en chans att fly till stjärnorna. Det finns många svårigheter att övervinna på denna taggiga väg. Men det viktigaste är att utvecklingsvektorn är känd, och självförtroendet har dykt upp.
Mer information om Longshot -projektet finns här:
För initiering av intresse för detta ämne, uttrycker jag min tacksamhet till "Postman".
